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Sichere Querkommunikation mit den AS-i Gateways mit integriertem Sicherheitsmonitor zu unterschiedlichen Feldbussen (im Bild Profibus-Gateway)

Funktionale Sicherheit für modulare ­Maschinenkonzepte

01  Dipl.-Ing. (BA) Johanna Schüßler ist Produktmanagerin bei der Bihl+Wiedemann GmbH in Mannheim

02  Sichere Querkommunikation über Safety-Gateways mit Ethernet-Diagnoseschnittstelle

03  Diagnosefenster von „ASIMON 3 G2“ für die sichere Querkommunikation

Maschinen- und Anlagenbauer stehen nicht selten vor der Aufgabe, verschiedene Module einer Maschine zu koppeln. Was früher auf sicherheitstechnischer Seite nur aufwendig über konventionelle Signale realisierbar war, lässt sich heute elegant über die sichere Querkommunikation lösen, wie Johanna Schüßler, ­Produktmanagerin bei Bihl+Wiedemann, der etz-Redaktion versichert.

Modulare Baukastensysteme im Maschinenbau bedeuten Zeitersparnis und Kostensenkung trotz kundenindividueller Produkte. Daher setzt sich die modulare Bauweise immer mehr durch. Nachdem das Modularisierungsprinzip geklärt ist, müssen die Schnittstellen zwischen den Modulen definiert werden – möglichst unabhängig von Kundenforderungen.
Warum müssen verschiedene Anlagenteile und -module überhaupt sichere Signale austauschen? Johanna Schüßler, Produktmanagerin bei Bihl+Wiedemann (Bild 1), nennt als Antwort einfache Beispiele: „Wenn der Roboter ausgeschaltet werden muss, sollte auch das entsprechende Förderband stehen bleiben. Wenn ein Not-Halt-Taster gedrückt wird, müssen auch benachbarte Anlagenteile und Maschinen ausgeschaltet werden, die sich im Sichtbereich befinden.“

Einsparpotenzial in der Sicherheitstechnik
Für die sicherheitstechnische Kopplung verschiedener Module einer Maschine stehen unterschiedliche Varianten zur Verfügung. Sichere Signale kann man in konventioneller Verdrahtung über potentialfreie Kontakte zwischen unterschiedlichen Anlagenteilen austauschen. „Die Kopplung über potentialfreie Kontakte von Koppelmodulen und Relais ist Stand der Technik“, betont J. Schüßler. „Allerdings geht hier der Kostenvorteil in der Verdrahtung eines digitalen Systems teilweise verloren.“ Die aufwendige Verdrahtung lässt sich reduzieren, wenn man die sicheren Ein- und Ausgänge für die Kopplung an einem Übergabepunkt abgesetzt montiert und über AS-Interface ansteuert. Hier ist dann nur noch das kurze Stück am Übergabepunkt konventionell zu verdrahten.
„Neben den potentialfreien Kontakten lassen sich über AS-i auch die elektronischen Ein- und Ausgänge zum Koppeln verwenden“, erklärt J. Schüßler weiter. „Hier können direkt sichere elektronische Ausgänge mit sicheren elektronischen Eingängen verbunden werden.“ Sind die äußeren Rahmenbedingungen gegeben – Massepunkte auf gleichem Potential, geringe räumliche Abstände – bietet sich hier eine kostengünstige Alternative. Vollkommen ohne konventionelle Verdrahtung kommt die Kopplung über einen AS-i-Koppelkreis aus. Hier können bis zu 31 Gateways über einen Koppelkreis sichere Signale austauschen. „Dies ist schon wesentlich komfortabler, allerdings muss ein Extra-AS-i-Kreis verlegt werden“, so die Safety-Expertin.

Ist es in einer Anlage notwendig, aufgrund der Antriebstechnik Profisafe einzusetzen, dann kann die Profisafe-Infrastruktur mit den Gateways von Bihl+Wiedemann zur sicheren Kopplung von AS-i-Kreisen verwendet werden. Die eleganteste Möglichkeit, AS-i-Kreise zu koppeln, stellt aber die sichere Querkommunikation über Ethernet der neuen Gateway-Generation von Bihl+Wiedemann dar. Diese Möglichkeit eignet sich vor allem für modulare Anlagenstrukturen. Hier können zwei bis 31 Gateways je 31 sichere Signale zum Austausch zur Verfügung stellen. „Der Verdrahtungsaufwand ist minimal“, so J. Schüßler. Der Anwender hat bei den Gateways die Wahl, die sichere Querkommunikation über die Ethernet-Diagnoseschnittstelle oder über eine Ethernet-Feldbusschnittstelle zu realisieren. Für Letzteres stehen momentan Ethernet/IP und Profinet zur Wahl. J. Schüßler: „Sind Gateways mit verschiedenen Feldbusschnittstellen im Einsatz, empfiehlt sich die sichere Querkommunikation über die Diagnoseschnittstelle.“ Dabei stellt sie heraus, dass die man über die Diagnoseschnittstelle „ein völlig unabhängiges Netz aufbauen kann, mit dem Firmennetzwerk also nichts zu tun hat“. Diese Entkopplung vom Hauptnetz ist wichtig, wenn es Probleme mit den IP-Adressbereichen gibt. „Beide Lösungen – sichere Querkommunikation über Diagnose- und über Ethernet-Feldbusschnittstelle – haben je nach Gegebenheiten ihre Vorteile“, resümiert sie (Bild 2).

Sichere Querkommunikation auf zwei Wegen
Die Profibus- und Sercos-Gateways werden für die sichere Querkommunikation über die Ethernet-Diagnoseschnittstelle (10 Mbit/s, halbduplex) und einen Switch verbunden. Bei Gateways für Profinet und Ethernet/IP oder Modbus TCP kann alternativ die Feldbusschnittstelle für die sichere Querkommunikation verwendet werden. Da die Datenübertragung auf dem Senden von Multicasts basiert, ist zu beachten, dass der verwendete Switch Broadcasts verarbeiten und weiterleiten kann. „Dies hat den Vorteil, dass unterschiedliche Anlagenmodule mit verschiedenen Feldbussystemen mithilfe der sicheren Querkommunikation zusammengeführt werden können“, berichtet die Ingenieurin. „Sofern es im Markt Bedarf gibt, folgt in Kürze Ethercat“, ergänzt J. Schüßler.
J. Schüssler nennt einen Anwendungsfall für die sichere Querkommunikation über die Ethernet-Diagnoseschnittstelle: „Ein Anlagenbauer nutzt bisher Profibus zur Kommunikation und will nun auf Ethernet/IP oder Profinet umstellen. Die Anlagenmodule werden nach und nach umgebaut. Ihre sicheren Signale können sie trotzdem mithilfe der Gateways tauschen.“ Der Aufwand für den Wechsel ist gering, da das Programm erhalten bleibt. Es muss nur über die Asimon-Software die Schnittstelle umgestellt und eventuell eine neue IO-Adresse eingerichtet werden.
Interessant ist die sichere Querkommunikation zum Beispiel auch dann, wenn die 62 sicheren Slave-Adressen eines Doppelmasters nicht ausreichen: In diesem Fall kann ohne großen Aufwand ein zusätzlicher Master montiert und über eine einfache Ethernet-Verbindung mit dem anderen Master gekoppelt werden.

Im Vollausbau hören alle Teilnehmer 31 × 31 = 961 sichere Koppelsignale. Insgesamt können im Maximalausbau je Gateway 62 sichere Slaves verarbeitet werden; bei 31 Gateways sind das 1922 sichere Slaves. Hierbei sind die Gateways über einen Switch in einem eigenen Netzwerk miteinander verbunden. Ein weiterer Vorteil hierbei: Für die Kopplung der Gateways gehen keine AS-i-Adressen verloren; in jedem Gateway steht der komplette Adressumfang zur Verfügung.
Organisatorisch werden alle Gateways, die miteinander kommunizieren sollen, in einer Gruppe zusammengefasst (Gruppenadresse 1 bis 15). Jedes Gerät dieser Gruppe erhält eine eindeutige Geräteadresse (Geräteadresse 1 bis 31). Eines der Geräte wird zum Manager der Gruppe ernannt. Dieser kontrolliert, ob alle beteiligten Geräte im Netzwerk vorhanden sind. In jedem Gateway stehen nun 31 Bit zur Verfügung, die von den anderen Gruppenmitgliedern als sichere Signale verwendet werden können.
Die komplette Konfiguration der sicheren Querkommuni­kation erfolgt über die Software „ASIMON 3 G2“. Hier werden die Gruppen- und Geräteadressen vergeben und die sicheren Programme der einzelnen Gateways verwaltet. Auch die Information über die IP-Adressen der beteiligten Geräte werden in der Projektstruktur mit abgelegt. „Manchmal haben Maschinenbereiche die gleichen Ethernet/IP-Adressen und können dann nicht kommunizieren“, so J. Schüßler weiter. Mit Hilfe der Diagnoseschnittstelle kann ein übergeordnetes Netzwerk mit einem eigenen Adress­bereich aufgebaut werden.

Diagnose der sicheren Querkommunikation
Die Diagnose der sicheren Querkommunikation kann auf verschiedenen Wegen erfolgen: Erhält ein Teilnehmer keine der erwarteten Nachrichten, so zeigt er in seinem Display die Geräteadresse des fehlenden Gateways an. Fehlen beispielsweise die Datentelegramme des Geräts 4, so erscheint im Display „X.4 not active“.
„Die Software Asimon 3 G2 wird zur Konfiguration der Gateways benötigt, zeichnet sich aber auch durch die vielfältigen bewährten Diagnosemöglichkeiten aus“, betont J. Schüßler. Fehlt ein Teilnehmer der sicheren Querkommunikation, werden die entsprechenden Bits in der Asimon-Konfiguration grau dargestellt.
Neu ist hier laut der Produktmanagerin auch die Möglichkeit, die dritte Diagnoseart auszuwählen. Dafür stellt die Asimon-Software von Bihl+Wiedemann mit dem neuen Release von Mitte diesen Jahres ein Diagnosefenster für die ­sichere Querkommunikation zur Verfügung, welches die komfortablen Diagnose-Features von Asimon ergänzt (Bild 3). Hier wird der Zustand der Kommunikation zwischen den einzelnen Teilnehmern grafisch angezeigt. „Fehler­hafte Verbindungen sind rot dargestellt, grau bedeutet den Ausfall eines Geräts und bei grün läuft alles in Ordnung“, erklärt sie weiter. „Der Anwender erkennt sofort, woran es liegt.“ Weiterhin erscheint ein Pop-up-Fenster mit dem Hinweis auf fehlende Teilnehmer. Ebenso kann man ersehen, welche Verbindungen der Kommunikation eventuell durch Telegrammfehler belastet sind. „Hilfreich ist der Fehler­zähler, da meist nicht beim ersten Fehler sofort abgeschaltet werden muss“, setzt die Produktmanagerin fort.
Zu den weiteren Neuheiten gehört, dass beim Klick auf einen Teilnehmer eine Detailanzeige folgt. Kommentar­felder können in allen Fenstern frei platziert werden. Für die ­Dokumentation steht ein Druckmanager zur Verfügung, der die Art der Druckausgabe und grafische Einstellungen festlegt. Mit einem neuen Workspace-Konzept werden alle Konfigurationen eines Projekts in einem Ordner abgelegt. Das Konzept dient zum Archivieren und Dearchivieren von Arbeitsbereichen.

Fazit
Dank der neuen Gateways von Bihl+Wiedemann können viele Automatisierungssysteme die Effizienz von AS-Interface für die funktionale Sicherheit jetzt noch besser nutzen. Ausgerüstet mit einfach handhabbarer Diagnose hat der Anwender auch komplexe modulare Anlagenstrukturen sicher im Griff.

Safety-Lösung für kleine Maschinen und Anlagen
Von Bihl+Wiedemann gibt es auch eine Lösung für kleine Maschinen und Anlagen: Der Safety Basis Monitor bietet bei einer Breite von 22,5 mm zwei (vier) sichere elektronische Ausgänge sowie acht / vier sichere Eingänge oder acht Standardeingänge und acht Meldeausgänge. Die Safety Basis Monitore BWU2567 und BWU2569 verfügen nun über neue Funktionen: Ein AS-i-fähiger Türschalter kann komplett in diesem Modul programmiert werden. Die Türzuhaltung lässt sich damit ohne SPS ansteuern. Der Stillstandswächter wurde um die Funktion der Drehzahlüberwachung mit einstellbarer Frequenz bis 400 Hz erweitert. Die Diagnose der Device-Farben kann direkt im Safety Basis Monitor erfolgen. Die zu diagnostizierende Farbe ist im Baustein auswählbar. Mehrere Devices lassen sich an einen Baustein anschließen. Neu ist weiterhin die Halbfolgenerkennung: Die Diagnose, welcher Kanal (Halbfolge) bei einem sicheren Slave ausgelöst hat, ist nun ohne SPS im Safety Basis Monitor möglich.

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Autor: Ronald Heinze